CN1277495A - 发送和接收至少两个频段的射频信号的收发信机 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的是一种发送和接收至少两个频段的RF信号的收发信机。本发明的一个构思是使用基于直接变频的收发信机,借助同一个合成器产生混频的频率。最好这样地实现,以使得当运行在相差很远的频段时,合成器的输出信号被除以不同的除数,以产生混频频率(211,231,261,281)。当运行在很靠近的频段时方便地改变在合成器的反馈中所使用的除数(P)(248)。通过合成器的分频能够产生两个互相90度相移的混频信号,因此信号线上不需要RC移相器,并得到了良好的相位精度,且与频率无关。
Description
本发明的目的是一种用于发送和接收在至少两个频段上的RF信号的收发信机。
移动通信系统正在非常快速地发展和扩大，所以在许多区域中已经建立和正在建立许多不同标准的系统。所以，对于能够使用于一个以上的系统中的移动台的需求不断上升。例如，我们可以提到运行在900MHz，1800MHz，和1900MHz频段的GSM类型的数字系统(全球移动通信系统)，其中的1800MHz和1900MHz频率的系统也称为DCS和PCN系统。这些系统运行在不同的频段上，但它们的技术条件是紧密相关的。在实现发射机/接收机或收发信机方面的问题是如何避免对于用于所有频段的分开的发射机和接收机电路的需要。
从公开专利EP 653851，可以获知一种收发信机设备，它使用一个本地振荡器，具有在较低的工作频段与较高的工作频段之间选择的一个频率，以使得相同的中频可在两个工作频段上运行时被使用。然而，这种解决办法的缺点在于，由于有中频级，实施方案大大地复杂化，并且设备的制造成本由于大量的元件数目也将是很高的。
在直接变频接收机中或在零中频接收机中，射频信号被直接变频成基带，而没有中频。因为不需要中频级，接收机只需要少数元件，所以，这对于许多应用(诸如移动台)是一个有利的解决办法。在公开专利申请EP 0 594 894 AI中，更详细地描述了用于实际的实施方案的解决办法。
图1显示了移动台收发信机的先前已知的方框图，将其中的接收机称为直接变频接收机。在该图上，由天线接收的RF信号通过开关104连接到电路的DCS支路或GSM支路。当接收DCS频段的信号时，接收信号被提供给DCS支路中的带通滤波器106、LNA(低噪声放大器)108、和带通滤波器110。然后，方块112从这个信号产生相互90度相移的分量。同相分量I和正交分量Q通过开关114和134被提供给混频器116和136。
加到混频器的混频信号是从具有一个相应于接收的载频的频率的合成器140得到的，由此所得到的混频结果是复数基带信号的同相分量和正交分量。将该基带信号还提供给AGC(自动增益控制)137和电压差校正块138。然后，该信号在用于接收的或RX信号的基带处理单元，方块139中被进一步处理。
当GSM信号被接收时，开关104把接收的信号引导到GSM支路，它相应地具有串联连接的带通滤波器126，低噪声放大器128，和带通滤波器130。然后，该信号以同相加到混频器116和136。现在开关115和135从合成器选择一个信号作为混频的频率，它具有在方块111中被除以2的频率。在方块111中，形成两个互相90度相移的信号，送到混频器116和136。因此，混频所需要的90度相移不是对于接收信号，而是对于混频的信号进行的。来自混频器的复数基带信号被提供给到用于接收的基带或RX信号的处理单元139。
已知，合成器140包括PLL(锁相环)，它包括VCO(压控振荡器)141，其输出信号由放大器146放大，以便产生输出信号。由振荡器141提供的信号的频率在分频器142中被除以整数Y，将结果的信号提供到相位比较器143。相应地，由参考振荡器158产生的信号的频率在分频器144中被除以整数X，然后提供到相位比较器143。该相位比较器输出一个信号，它正比于所述两个输入信号的相位差，由此将输出信号提供到LPN(低噪声放大器)145，滤波的信号将进一步控制压控振荡器141。上述的锁相环以已知的方式运行，以使得合成器的输出频率被锁定到从参考频率支路进入到相位比较器的频率上。通过改变除数Y来控制该输出频率。
在发射机部分，复数基带发送信号或TX信号在TX信号处理单元160中被处理，由此将信号的复数分量引导到混频器162和182，在其中，通过把输入信号与混频的信号进行混频，产生载频信号。如果在发射时使用DCS频率，则开关111和161选择合成器140的输出信号作为混频的信号。将所得到的DCS信号提供给带通滤波器168，放大器170，和带通滤波器172。将所产生的RF信号再通过开关180加到天线102。
如果发送是在GSM频段上，则混频的信号是通过在分频器161中把来自合成器140的输出信号的频率除以2而产生的，由此得到两个具有互相90度相移的混频的信号，用于第一TX混频器162和第二TX混频器182。将以载波频率的信号通过开关164和184提供到GSM支路，其中将从混频器162和182得到的同相分量和正交分量相加，方块186。然后，在方块188，190，和192中滤波和放大。将所产生的RF信号由开关180加到天线102。这样，在GSM频率上，90度移相是对于混频的信号(而不是对于在作为混频的结果得到的载波频率上的信号)进行的。
上述的可控制的方块从处理单元(图1上未示出)接受对它们的控制，该处理单元例如可包含微处理器和/或DSP(数字信号处理器)。而且，移动台包括与该处理单元和用户接口装置相关的存储器单元，该处理单元和用户接口装置包括显示器，键盘，话筒和扬声器，这些都没有在图1上给出。
与图1所示的解决办法有关的问题是，得到足够精确的相位：对于在I和Q分量之间的相位差的精确要求是几度的量级。另一方面，相位精度的控制由于在互相相差很远的两个频段上运行而复杂化。由于传统RC移相器中的相移取决于频率和元件的温度，所以，在整个频段和在所有运行条件下很难达到足够精确的相位。此外，因为VCO的输出频率是与RX/TX混频频率相同的，合成器的相位精度在较高的频段处较低。
而且，已知的收发信机设备只实现在两个频段上的运行。然而，由于运行在不同的频段的系统数目的增加，希望提供收发信机设备也运行在两个以上的频段上。对此现有技术未给出任何办法。
本发明的目的是创建用于实现运行在至少两个频段的收发信机的简单的解决办法，以使得上面提到的与现有技术有关的缺点得以避免。
本发明的一个构思是使用基于直接变频的收发信机，其中当运行在不同的频段时，借助于同一个合成器产生混频的频率。最好这样实现，以便当运行在互相相差很远的频段时，合成器的输出信号被除以不同的除数，以产生混频的频率。当运行在互相很靠近的频段时方便地改变在合成器的反馈中所使用的除数。这样，有可能实现一种具有几个互相靠近的工作频段的收发信机。
借助于本发明，有可能通过合成器频率的分频产生两个互相90度相移的混频的信号，由此在信号线上不需要RC移相器，并且所得到的相位精度很好且与频率无关。
由于在按照本发明的解决办法中合成器工作在高的频率上，有可能在相位比较器和/或运行在宽的频带内的环路滤波器中使用较高的频率，由此，合成器将具有短的稳定时间。而且，由于高的工作频率，频率分辨率将增加，由此，可将合成器控制到具有互相接近的频率的信道。按照本发明的收发信机可进一步被实现为制造成本低的简单的收发信机，因为电路可被容易地集成。
工作在至少两个频段上的直接变频收发信机，其中第一频段包括第一发送频段与第一接收频段，和第二频段包括第二发送频段与第二接收频段，从而
-所述接收机包括至少一个RX混频器，用于把接收信号混频到基带信号，
-所述发射机包括至少一个TX混频器，用于把基带信号混频到载频上的发射信号，
-发射机/接收机包括频率合成器装置，
-被连接到合成器装置的输出端的第一分频装置，用于产生第一同相RX混频信号和第一90度移相的RX混频信号，给RX混频器，以便把在第一接收频段上接收的信号混频成基带信号，以及
-被连接到合成器装置的输出端的第二分频装置，用于产生第一同相TX混频信号和第一90度移相的TX混频信号，给TX混频器，以便把第一基带TX信号混频成在第一发送频段中的载频上的第一TX信号，
其特征在于，发射机/接收机还包括：
-被连接到合成器装置的输出端的第三分频装置，用于从所述合成器装置的输出信号产生第二同相RX混频信号和第二90度移相的RX混频信号，以便把在第二接收频段上接收的信号混频成第二基带RX信号，以及
-被连接到合成器装置的输出端的第四分频装置，用于从所述合成器装置的输出信号产生第二同相TX混频信号和第二90度移相的TX混频信号，以便把第二基带TX信号混频成以第二发送频段中的载频上的第二TX信号。
在附属权利要求中给出了本发明的最佳实施例。
下面将参照附图更详细地描述本发明，其中
图1以方框图形式表示基于现有技术的直接变频的收发信机，
图2以方框图形式表示按照本发明的用来实现运行在至少两个频段的收发信机的解决方案，
图3以电路图形式表示用来产生较低频段的不同相位的信号的解决方案，
图4以电路图形式表示用来产生较低频段的不同相位的信号的另一个解决方案，以及
图5以电路图形式表示用来产生较高频段的不同相位的信号的解决方案。
图1是在说明现有技术时已经描述过的。下面，我们借助于图2来描述按照本发明的发射机/接收机。最后，我们参照图3到5描述在按照本发明的收发信机中实现不同的相位信号的产生的可能的方法。
图2以方框图形式显示了按照本发明的收发信机。图2所示的收发信机工作在三个频段。这些是运行在900MHz频段上的GSM 900系统，运行在1800MHz频段上的GSM 1800系统，和运行在1900MHz频段上的GSM 1900系统。在这些系统上使用的接收和发送频率在下表中给出。
| 系统 | 接收频率 | 发送频率 |
| GSM 900 | 925-960MHz | 880-915MHz |
| GSM 1800 | 1805-1880MHz | 1710-1785MHz |
| GSM 1900 | 1930-1990MHz | 1850-1910MHz |
图2的接收机具有两个RF接收支路，其中第一支路被使用于900MHz频段，以及第二支路被使用于1800MHz和1900MHz频段。被天线202接收的RF信号由开关204按照要被接收的频段被引导到接收支路。然后，在较低频段的接收支路中的带通滤波器226和230的通带约为925-960MHz，而在较高频段的接收支路中的带通滤波器206和210的通带约为1805-1990MHz。因此，较低频段的发射机的带通滤波器286和392的通带约为880-915MHz，而较高频段的发射机的带通滤波器266和272的通带约为1710-1910MHz。
接收支路都具有在带通滤波器之间的低噪声放大器208和228。在较低频段的载频上的滤波的和放大的接收信号以相同的相位提供给混频器233和236。在较高频段的载频上的滤波的和放大的接收信号以相同的相位提供给混频器213和216。这样，对于两个较高频段，载频部件是有利地公共的。
较低频段的混频的信号是从合成器输出信号通过在分频器231中把它除以4而得到的。分频器231产生同相混频信号RXM1I和混频时所需要的90度移相的混频信号RXM1Q。较高频段的混频的信号是从合成器输出信号通过在分频器211中把它除以2而得到的。分频器211产生同相混频信号RXM2I和混频时所需要的90度移相的混频信号RXM2Q。这样，混频时所需要的90度移相不是对于接收信号而是对于混频的信号进行的。
从混频器得到的复数基带信号I-RX，Q-RX还被提供给AGC块(自动增益控制)237和电压差校正块238。然后，信号在接收的RX信号的基带处理单元，块239中被进一步处理。
频率合成器运行如下。该频率合成器包括压控振荡器VCO 241，VCO的输出信号由放大器246放大，以便产生输出信号RXS，TXS。由振荡器241提供的信号的频率在分频器248中被除以P。数值P优选地是整数，但它也可以是分数。结果的信号被提供给相位比较器243，在其中，信号的相位与由参考振荡器258产生的信号的相位进行比较。当需要时，参考振荡器的输出信号的频率也可以在相位比较以前用可控分频器进行分频。相位比较器产生正比于所述两个输入信号相位差的信号，由此输出信号被提供给低通滤波器245，以及滤波的信号还控制压控振荡器241。
在发射机部分，复数基带信号或TX信号在处理单元250中被产生，用于TX信号，它产生复数信号分量I-TX和Q-TX。复数信号被加到产生较高频段的载频信号的混频器262和263，以及产生较低频段的载频信号的混频器282和283。
较低频段的混频的信号是从合成器输出信号通过在分频器261中把它除以4而得到的。分频器产生同相混频信号TXM1I和混频时所需要的90度移相的混频信号TXM1Q。较高频段的混频的信号是从合成器输出信号通过在分频器261中把它除以2而得到的。分频器261产生同相混频信号TXM2I和混频时所需要的90度移相的混频信号TXM2Q。这样，混频时所需要的90度移相不是对于发射信号而是对于混频的信号进行的。
当使用较低频段时，从较高频段的混频器262和282得到的同相分量和正交分量在方块26中被相加，以及信号被提供给带通滤波器268，放大器270和带通滤波器272。所产生的RF信号还通过开关280被加到天线202，用于发射。这样，载频部分对于两个较高频段有利地是公共的。
必须指出，接收和发送的混频的信号也可借助于相同的分频器被产生。然后，具有不同相位的分频器的输出可以借助于可控开关在接收期间被连接到接收机的RX混频器或在发送期间被连接到发射机的TX混频器。然后，这些开关是由一个信号控制的，该信号在接收时隙期间处在第一状态和在发送时隙期间处在第二状态。另一个使用一个分频器的替换例是在发送和接收期间，把从分频器得到的信号引导到发射机和接收机的混频器。然后，这些信号借助于分路器装置，诸如功率分路器，被分流到所述混频器。
而且，必须指出，不用除以2/4的所显示的分频器，也有可能使用其它的分频器，用于从由合成器产生的信号来产生RX和TX混合的频率。这样，分频功能可以是除了除以2/4的分频以外的其它分频，取决于所使用的运行频段和合成器输出信号的频率。
而且，必须指出，对于较低和较高频段也可能使用一个公共的混频器，由此被提供给混频器的混频信号用开关装置来选择。而且，为了选择信号支路连接到混频器，也需要开关装置。这个解决办法的优点是所需要的混频器的数目是较少的，但另一方面，缺点是混频器所需要的运行频率范围是更宽的。
转换开关204，205，225，和280最适合于由双电平信号BC(频段控制)来控制。在控制信号的第一电平下，转换开关处在一个使用较低频段的高频电路的位置，在第二电平下，转换开关处在一个使用较高频段的高频电路的位置。控制信号BC的第一和第二电平的数值取决于转换开关的具体方案。
不用转换开关204，205，225，和280，也有可能采用任何其它的已知方法，用于引导高频信号的路径。转换开关可以用本身已知的匹配装置来代替，由此，当使用第一频段时，第二频段的高频电路对于第一频段的信号呈现高阻抗。因此，当使用第二频段时，第一频段的高频电路对于第二频段的信号呈现高阻抗。然后，不同频段的高频电路互相不干扰运行。
控制转换开关的信号BC最适合于在移动台的处理块(图上未示出)中被产生，它有利地包括处理器，诸如微处理器。处理块改进由用户通过键盘输入的系统重新选择指令产生信号。系统重新选择可以是基于菜单的，由此，通过按下按键从显示器上呈现的菜单点取它，而选择需要的系统。然后，处理块产生控制信号BC，它相应于所选择的系统。系统重新选择指令也可以通过移动通信系统进入，由此移动台接收从另一个系统发送的数据。接收的数据可包含系统重新选择指令，处理块根据这些指令来改变系统。控制程序被存储在存储器单元中，它是与处理块有关的，包括EPROM或EEPROM存储器，由此该重新监视接收的数据，以及当它在数据中检测到系统重新选择指令时，它提供一个指令给处理块，用于按照重新选择指令把控制信号BC设定到一个状态。
而且，处理块产生合成器控制信号，通过该控制信号把相应于给定的信道频率的除数给予频率合成器240的分频器248(图2)。然后，合成器的分频器248从压控振荡器VCO 258的频率产生用于相位比较器243的相位比较器频率。例如，在GSM系统中，信道距离是200kHz，由此200kHz被用作为相位比较器频率，或200kHz的倍数，如果VCO的频率是RX/TX混频的频率的倍数的话。
选择信号支路的一个可能的方法也可以是关断不用的那个支路的工作电压。这可被使用于发射机和接收机。这个替换例的优点是，不一定需要任何真实的选择开关。
图3表示一个移相器，它把输入频率除以4，以及它可被使用来在方块231和281(图2)的实施例中产生较低频段的混频的信号。电路包括两个除以4的分频器301和302，由此，输入信号被加到第一分频器301的非倒相输入端和第二分频器302的倒相输入端。这以已知的方式产生具有输入信号的频率的四分之一的频率的输出信号，它们具有互相90度的相移。
图4表示另一个移相器，它把输入频率除以4，以及它可被使用来在方块231和281的实施例中产生较低频段的混频的信号。电路包括三个分频器，第一分频器403把输入信号频率除以2。第一分频器403的输出被连接到两个分频器404和405，由此，第一分频器的输入信号被加到第二分频器404的非倒相输入端和第三分频器405的倒相输入端。这以已知的方式产生具有输入信号的频率的四分之一的频率的输出信号，它们具有互相90度的相移。
图5表示一个移相器，它把输入频率除以2，以及它可被使用来在方块211和261的实施例中产生较低频段的混频的信号。电路包括两个分频器501和502，由此，输入信号被加到第一分频器501的非倒相输入端和第二分频器502的倒相输入端。这以已知的方式产生具有输入信号的频率的一半的频率的输出信号，它们具有互相90度的相移。
同相支路和正交支路中的混频器262和263(较高频段)或混频器282和283(较低频段)在图2所示的方框图中被呈现为分开的混频器，但实际上，它们可被集成在同一个电路，由此，可以在先前已知的吉尔伯特(Gilbert)小单元型式混频器的共集电极电阻上加上两个GSM发送信号。
如果在较高和较低频段上使用相同的混频器，则有可能在一个开关电路上进行相加，它把混频器以后的信号连接到较低或较高频段的信号支路。一种有利的方式是通过使用并行晶体管级来实现开关，由此通过把工作电压连接到该晶体管级以便让该信号通过，以及通过把该级关断工作电压以便开路连接，而实现信号选择。这些相同的晶体管级可被使用来加入信号。
第三种方式是以图2所示的方式在分开的加法器中实行相加，它被连接到混频器和GSM/DCS选择器开关以后的发送链。
借助于按照本发明的解决办法，有可能在混频的信号之间得到非常精确的90度相移，因为相移是在分频器电路211，231，261，和281中产生的。此外，在接收和发送信号支路中不需要移相器。
因为在按照本发明的解决办法中合成器工作在规定频率，有可能使用工作在宽的频带上的环路滤波器，所以，频率的稳定时间将很短。而且，有可能使用更高的参考频率。
按照本发明的收发信机也可被实现为具有低的制造成本的简单的收发信机，因为容易集成该电路。由于电路不使用中频，它们不会引起中频干扰，同时它们也不受外部的中频干扰。因此，对于设备的中频防护的需要将是最小的。
以上，我们给出了按照本发明解决办法的一些实施例。当然可在权利要求的范围内修改本发明，例如可在详细实施例和应用领域方面进行修改。特别是，应当指出，非常可能把按照本发明的解决办法应用于除上述的GSM和DCS/PCN系统以外的其它通信系统。同样地，所给出的工作频率只是作为例子，本发明的实施例决不限于此。
Claims (13)
1.一种工作在至少两个不同频段上的直接变频发射机/接收机，其中第一频段包括第一发送频段与第一接收频段，和其中第二频段包括第二发送频段与第二接收频段，因此
-所述接收机包括至少一个RX混频器，用于把接收信号混频到基带信号，
-所述发射机包括至少一个TX混频器，用于把基带信号混频到载频的发射信号，
-发射机/接收机包括频率合成器装置(240)，
-被连接到合成器装置的输出端的第一分频装置(231)，用于产生第一同相RX混频信号(RXM1I)和第一90度移相的RX混频信号(RXM1Q)，给RX混频器，以便把在第一接收频段上接收的信号混频成基带信号，以及
-被连接到合成器装置的输出端的第二分频装置(261)，用于产生第一同相TX混频信号(TXM1I)和第一90度移相的TX混频信号(TXM1Q)，给TX混频器，以便把第一基带TX信号混频成在第一发送频段中的载频的第一TX信号，
其特征在于，该发射机/接收机还包括
-被连接到合成器装置的输出端的第三分频装置(211)，用于从所述合成器装置的输出信号(RXS)产生第二同相RX混频信号(RXM2I)和第二90度移相的RX混频信号(RXM2Q)，以便把在第二接收频段上接收的信号混频成第二基带RX信号(RXB2)，以及
-被连接到合成器装置的输出端的第四分频装置(261)，用于从所述合成器装置的输出信号(TXS)产生第二同相TX混频的信号(TXM2I)和第二90度移相的TX混频的信号(TXM2Q)，以便把第二基带TX信号(TXB2)混频成以第二发送频段中的载频的第二TX信号(TXC2)。
2.按照权利要求1的发射机/接收机，其特征在于，它包括
工作在第一接收频段上的
-第一RX混频器(236)，用于产生复数基带信号的同相分量(I-RX1)，
-第二RX混频器(233)，用于产生复数基带信号的正交分量(Q-RX1)，以及
工作在第一发送频段上的
-第一TX混频器(282)，用于把复数基带信号的同相分量混频成载频，
-第二TX混频器(283)，用于把复数基带信号的正交分量混频成载频。
3.按照权利要求2的发射机/接收机，其特征在于，它包括第一加法器(286)，用于相加在第一发送频段上的所述载频信号分量。
4.按照任何上述权利要求的发射机/接收机，其特征在于，它包括：
工作在第二接收频段上的
-第三RX混频器(216)，用于产生复数基带信号的同相分量(I-RX1)，
-第四RX混频器(213)，用于产生复数基带信号的正交分量(Q-RX1)，以及
工作在第二发送频段上的
-第三TX混频器(262)，用于把复数基带信号的同相分量混频成载频，
-第四TX混频器(263)，用于把复数基带信号的正交分量混频成载频。
5.按照权利要求2的发射机/接收机，其特征在于，它包括第二加法器(266)，用于相加在第二发送频段上的所述载频信号分量。
6.按照任何上述权利要求的发射机/接收机，其特征在于，所述第一和第二分频装置(231，281)是除以4的分频器，以及所述第三和第四分频装置(211，216)是除以2的分频器。
7.按照任何上述权利要求的发射机/接收机，其特征在于，所述第一分频装置(231)和第二分频装置(281)是相同的分频装置，以及所述第三分频装置(211)和第四分频装置(261)是相同的分频装置。
8.按照任何上述权利要求的发射机/接收机，包括一个频率合成器，其特征在于，该合成器具有：
-控制振荡器(241)，用于产生输出频率信号，
-合成器的分频装置(248)，用于把振荡器所产生的信号频率分频，以便把合成器的输出频率设置为相应于所选择的频道，
-相位比较器(243)，用于根据从分频装置接收的信号与从参考振荡器得到的信号的相位差产生一个控制信号，以及
-环路滤波器(245)，用于设定锁相环的响应。
9.按照权利要求8的发射机/接收机，其特征在于，发射机/接收机包括第三接收频段，由此所述合成器包括装置(248)，用于改变合成器的输出频率，以使得它相应于第二和第三发送频段。
10.按照权利要求9的发射机/接收机，其特征在于，对于第二和第三接收频段，发射机/接收机包括用于载频信号的共同的处理部分(206，208，210，213，216)。
11.按照权利要求9的发射机/接收机，其特征在于，对于第二和第三发送频段，发射机/接收机包括用于载频信号的共同的处理部分(262，263，266，268，270，272)。
12.按照任何上述权利要求1到11的发射机/接收机在GSM类型的系统中的使用。
13.按照任何上述权利要求1到11的发射机/接收机在第三代系统，诸如UMTS类型的系统中的使用。
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